长螺旋钻机动力头振动原因分析与解决方案

李 众，祝 勇，吴 芳

（马鞍山方圆回转支承股份有限公司，安徽 马鞍山 243041）

长螺旋钻机动力头振动原因分析与解决方案

李 众，祝 勇，吴 芳

（马鞍山方圆回转支承股份有限公司，安徽 马鞍山 243041）

针对采用三环减速机构的长螺旋钻机动力头振动分析原因，提出了增加同步传动系统来解决振动问题的技术方案，并通过装机试验验证,证明改进效果明显。

长螺旋钻机；动力头；振动；齿环板；角速度；同步轮

长螺旋钻机动力机构的动力头分为三环减速机构动力头、液压动力头和行星动力头3种。由于液压动力头和行星动力头造价及维护成本高，而三环减速机械动力头更具可靠性，且维护成本相对较低，故三环减速机构是目前国内钻机最理想的动力装置。工作时2个电机通过联轴器带动三环减速机械高速转动，将动力从低速轴通过法兰带动钻杆转动，实现钻孔。目前，长螺旋钻机能实现最大成桩孔直径达1.2m，深度35m。由于钻杆长38m，起钻时，其上的动力头通常位于大约40m高的机架上；在如此高的机架上的动力头若有振动，就会带动整个机架振动。当发生共振时，整个机架振动的非常厉害，造成对整机内的轴承和机架焊缝的破坏；使得桩机故障增多，寿命缩短，主机的安全可靠性大大降低。

1 动力头振动原因分析

1）三环减速机构动力头的结构 三环减速机构长螺旋钻机动力头由箱体、2个电机、2个输入曲轴、3个齿环板、输出主轴和大齿轮等主要零件所组成。每块齿环板两端的孔分别与各自的曲轴联接，如图1所示。

图1 三环减速机构动力头原理图

2）动力头的工作原理 三环减速机构动力头的动力源是装在箱体上的2台55kW电机。2台电机分别各自通过其同步曲轴传动给装在其曲轴上的3个相互平行的、嵌有内齿轮的3只环板，在空间作平面圆周往复运动，3个齿环板间歇推动装在主轴上的中间大齿轮旋转；转动的大齿轮带动装在主轴上的螺旋钻转动。

3）振动源分析 长螺旋动力头的各个零件经各项技术指标检测均是合格的，各转动部件也做了动平衡检验，不存在因不平衡而产生振动现象，可在使用中仍然有振动现象发生。从其结构和传动路线分析中发现，由于是2个动力源电机，分别各自通过其同步曲轴，传给同一块齿环板两端。当2个曲轴的动力源电机的旋转受到电源参数的不同和阻力不同的影响时，输入给2个曲轴的角速度就不实现同步。这时装在曲轴上的齿环板两端受到不同步角速度的扭矩时，就发生了不平衡传动，引起了振动。

所以，造成振动的根本原因是2个需要提供同步角速度的曲轴在实际旋转过程中未获得同步角速度的动力。

2 解决振动问题的技术方案

造成振动的根源是2个曲轴在旋转过程中不同步。为了保证2个曲轴在旋转过程中同步，经分析，在不改变三环减速机构总体结构的基础上，分别在2个曲轴输入段通过键安装上同步齿轮;这两个同步齿轮的参数完全相同。中间主轴通过轴承安装上过渡齿轮，如图2所示。这3个齿轮，组成了一个同步传动轮系；这个传动系主要功能不是用来传递动力的，而是保证2个输入曲轴的转角同步;消除由于曲轴旋转角速度不同步而产生的振动，实现减振的目的。

图2 三环减速机构动力头改造方案

3 同步齿轮主要参数的确定

1）同步齿轮模数的确定 同步齿轮模数的确定，不同于一般齿轮模数的确定，一般齿轮模数的确定主要考虑其强度；而同步齿轮在确定模数的时候，主要考虑分度，分度越小越好，也要考虑到齿的磨损。所以，在确定同步轮系中齿轮模数是按试验结果得出的选择原则：m同=m环×40%，m同是指同步传动轮系中齿轮的模数，m环是指齿环板齿的模数。例如：580三环减速机，齿环板齿的模数是m环=10，那么同步传动系统中齿轮的模数就是m同=10×40%=4。同步传动系统中齿轮的模数选择为m同=4比较适合。

2）同步齿轮的宽度确定 同步齿轮宽度的确定，主要是轮辐的厚度和齿宽的确定。由于不用来传递动力，这里不考虑其强度，只需考虑刚性。根据试验，一般轮辐的厚度在20～25mm范围内；齿宽在30～40mm范围内。以580三环减速机为例，合理的轮辐的厚度为25mm，齿宽为35mm。

3）同步齿轮分度圆直径的确定 在确定同步齿轮分度圆直径时，首先考虑2个同步轮的直径，按最大化考虑。因为同步轮的直径越大，齿数越多，360°就分得越细，更有利于同步。根据箱体空间尽可能大的同步齿轮分度圆直径；再根据中心距的尺寸确定过渡轮的分度圆直径。如：580三环减速机同步轮分度圆最大可定为400mm；那么根据中心距580mm，过渡轮分度圆直径为D=580×2-400/2×2=760mm。

4 结 论

由于在长螺旋桩机上采用了新型同步轮系结构三环减速机，三环减速机构动力头的振动消除了，减速机的轴承寿命得到延长，桩机的故障频率也有所降低，延长了长螺旋桩机的使用寿命，其稳定性和可靠性得到了提高。

（编辑 于 洋）

The analysis and solution of the vibration causes of long spiral drilling rig power head

LI Zhong, ZHU Yong, WU Fang

TU67

B

1001-1366(2015)01-0092-02

2014-11-21